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DISEÑO DE UNA MÁQUINA TRITURADORA DE ENVASES DE
PLÁSTICO (PET) DE POST-CONSUMO Y ANÁLISIS DE UN ROTOR
SUJETADOR DE CUCHILLAS EN FORMA ESCALONADA COMPARADO
CON UNO CILÍNDRICO RECTO
Luis Alberto Arenas Magos
SEPI ESIME AZCAPOTZALCO
José Luis Mora Rodríguez
SEPI ESIME AZCAPOTZALCO
Resumen
El desarrollo del diseño para una máquina trituradora de envases de plástico (PET) de post-
consumo, se basa en la necesidad de reducir el material plástico que se genera en zonas urbanas y
que es recolectado en centros de acopio para el aprovechamiento del material para su posterior
proceso de reciclado. Se alimenta el sistema de envases de PET por medio de una tolva de acero
inoxidable, los cuales se hacen pasar por el sistema de trituración para cortar el material por medio
de cuchillas, se formen granos que pasan por el tamiz y finalmente se almacenan en recipientes
adecuados para tal efecto. La máquina tiene un motor de 3 HP y un sistema de transmisión por
bandas. El eje del sistema de trituración se diseñó bajo el código ASME, además del diseño de seis
chaveteros para montar los sujetadores de cuchillas. Por último, se analizaron por elemento finito los
dos tipos de configuraciones rotores propuestos, la primera configuración con cuchillas de 600 mm y
la segunda con cuchillas de 100 mm.
Palabras clave: Máquina, Trituradora, PET, Reciclaje, Diseño y Elemento Finito.
Abstract
Design development for a shredding machine plastic packaging (PET) of post-consumer, is
based on the need to reduce the plastic material is generated in urban areas and that is collected
collection centers for the use of the material for subsequent recycling process. System feeds PET
containers through the stainless steel hopper, which pass through the grinding system to cut material
by means of blades and small pieces or grains of material are formed through the sieve, and finally
his storage. The machine has a 3 HP motor and belt drive system. The axis of the grinding system is
designed under the ASME code, and six keyways design for mounting the blade holders. Finally the
two types of rotors proposed configurations, the first configuration with blades of 600 mm were
analyzed by finite element. And the second with 100 mm blades.
Keywords: Machine, Crusher, PET, Recycling, Design and Finite Element.
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Se propone el diseño de una máquina
trituradora de envases de plástico (pet) de
post-consumo, debido a que los envases
usados de PET, particularmente los que han
contenido bebidas, constituyen una porción
importante de los residuos sólidos urbanos en
México y el objetivo es reducir el volumen de
los mismos mediante un proceso mecánico
seguro y eficiente.
Según información del año 2012 que
proporciona el INEGI, hay pocos centros de
acopio de materiales valorizables manifestados
en las 16 delegaciones de la ahora Ciudad de
México, que son aquellos operados por la
administración municipal o delegacional,
suman 35,629 ton en promedio diario.
Lo anterior demuestra que se deben
considerar medidas apropiadas para el manejo
de estos materiales valorizables generados en
los hogares y en la industria, como lo son los
envases de post-consumo de PET, tal como el
desarrollo tecnológico para crear herramientas
que faciliten el proceso de reciclaje.
Objetivo
Desarrollar el diseño de una máquina
trituradora de envases de plástico (PET) de
post-consumo para reducción de volumen de
materia para el proceso de lavado y análisis de
un rotor sujetador de cuchillas en forma
escalonada comparado con uno cilíndrico
recto para determinar esfuerzos y
deformaciones de ambos, así como
seleccionar una configuración para el diseño
de acuerdo a los resultados obtenidos.
Modelo lineal de diseño
El diseño como proceso consiste en
transformar información de las condiciones,
necesidades y requisitos a la descripción de
una estructura que las satisfaga. Así el
encargado de diseño funciona como medio de
transformación de la información que
proviene directamente del cliente.
Para el diseño de la máquina trituradora de
botellas de PET de post-consumo implica una
correcta interpretación de los requerimientos
del cliente, como se mencionó anteriormente,
para lograr un diseño que cumpla con las
dimensiones, tiempos de producción, tamaño
de molienda que la maquinaría de este tipo
ofrece.
El desarrollo óptimo del diseño se basa en
el empleo de diferentes herramientas que
utiliza el modelo lineal de diseño, que consiste
en tres etapas principalmente, véase la figura
1.
Figura 1. Etapas del modelo lineal de diseño.
En la etapa uno se emplea el QFD (Quality
Function Deployment, por sus siglas en
inglés) para determinar los requerimientos por
parte del cliente que satisfaga un diseño
acorde a las necesidades de éste, y qué de
manera textual se muestran en la tabla 1 y así
transformar la información en características
técnicas para el equipo.
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Tabla 1. Determinación de los requerimientos y
expectativas del cliente.
Requerimientos
QUE
A Tenga manejo manual
B Sea económico
C Sea sencillo
D No requiera mucho mantenimiento
E Sea fácil de usar
F Sea portátil
G Tenga alimentación con energía eléctrica
H Seguro y confiable
I Su instalación sea fácil
J Cuente con buen diseño
Posteriormente, la traducción de los
requerimientos a términos de ingeniería para
clasificarlos en requerimientos obligatorios y
deseables se realiza una ponderación de
requerimientos deseables.
En la segunda etapa, el diseño conceptual,
inicia con el análisis funcional, el árbol de
funciones plantea las funciones/acciones, de lo
general a lo particular, que debe realizar el
prototipo para su funcionamiento, y que
parten de los requerimientos del cliente.
Al aplicar los filtros a los conceptos, no se
eliminó ninguna solución, ya que cualquiera
de estas es posible de realizar, se cuenta con la
tecnología adecuada y cumple con todos los
requerimientos del cliente.
Con la Tabla 2, se obtienen los conceptos
principales que serán integrados al diseño a
detalle de la máquina trituradora y se obtiene
un diseño conceptual final, como se ve en la
figura 2.
Tabla 2. Matriz de conceptos.
Función
Opciones
Descripción
A B C
Alimentar el tablero ● Interruptor con caja
Alimentación de materia al
sistema ●
Tolva con pendiente de lámina
inoxidable
Triturar el material ● Cuchillas Pagani serie FA
Paro de sistema ● Botón emergencia iluminado
Encender/Apagar mecanismo de
trituración ● Botón toggle abb
Generar movimiento de elementos
del sistema ●
Motor eléctrico NEMA para uso en
ambientes industriales
Transmitir energía mecánica a
cuchillas ●
Polea con asiento cónico y cuñero
de seguridad
Soportar elementos mecánicos y
eléctricos ● ●
Estructura PTR y
Ángulo
Generar movimiento angular a
cuchillas ● Rotor abierto, corte inclinado
Figura 2. Modelo conceptual de máquina.
Diseño de detalle
El diseño de detalle de los elementos de la
máquina; así como el sistema de trituración y
el de transmisión, eje, chaveteros, rotor,
cuchillas, entre otros, se basan en los
requerimientos del cliente estipulados en la
matriz de conceptos.
La Figura 3, muestra el eje diseñado a
partir de la ecuación que proporciona el
código ASME para el cálculo de un eje
macizo. Combina torsión, flexión y carga
axial, aplicando la ecuación del esfuerzo
cortante máximo modificada mediante la
introducción de factores de choque, fatiga y
columna.
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Figura 3. Eje con chaveteros.
El diseño del eje requiere seis chavetas
(Figura 4) para el montaje de las seis
secciones del rotor (Figura 5).
Figura 4. Chaveta.
Figura 5. Secciones de rotor.
Las cuchillas se diseñan con ángulo de
corte de 30° para las dos configuraciones de
cuchillas, de 100 milímetros según la figura 6
y 600 milímetros de acuerdo a la figura 7.
Figura 6. Cuchilla 100 milímetros
Figura 7. Cuchilla 600 milímetros
El diseño final de la máquina trituradora se
muestra en la Figura 8, con todos los
elementos que la conforman.
Figura 8. Dibujo de usuario.
Resultados
En el análisis por elemento finito se
analizan las cuchillas de 600 milímetros y 100
milímetros respectivamente con software
SolidWorks, realizando el estudio de
SimulationXpress y un tipo de análisis
estático.
La Figura 9 es la representación de las
cuchillas que fueron modeladas.
Figura 9. Cuchilla 600 y 100 mm.
Se consideran entidades con sujeciones
fijas (Figura 10) para las cuchillas.
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Figura 10. Sujeciones de cuchillas
En la Figura 11 se muestra la aplicación
una fuerza normal de 480 lb-ft.
Figura 11. Aplicación de fuerza de 480 lb-ft.
Se hace un mallado en la Figura 12 para
ambas cuchillas.
Figura 12. Mallado.
Los resultados que se obtuvieron del
estudio del análisis estático tensión para la
cuchilla de 600 mm es un mínimo 1.44622
PSI y un máximo de 991.384 PSI. Para la
cuchilla de 100 mm se obtuvo un mínimo
9.66279 PSI y un máximo de 4971.07 PSI,
véase la figura 13.
Figura 13. Análisis estático tensión nodal.
Del estudio de desplazamiento estático se tiene
el resultado que se muestra en la Figura 14.
Figura 14. Desplazamiento estático.
Figura 15. Deformación de cuchillas.
El resultado del factor de seguridad por criterio
de Tensiones de von Mises (Figura 16) se tiene un
resultado del cual se deduce que las cuchillas de
600 mm y 100 mm no fallarán.
Figura 16. Resultado de factor de seguridad.
De acuerdo con la carga aplicada de 480 lb
a la cuchilla de 100 mm, el esfuerzo se
incrementa con relación al modelo de 600 mm
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debido a que el área de aplicación de la fuerza
es mayor, sin embargo, la cuchilla no fallará.
Existe una diferencia en los esfuerzos en
ambos casos y se debe a que el programa
considera la unión fija en los tornillos y en un
cálculo previo se consideró fijo totalmente
(Tabla 3).
Tabla 3. Comparativa de esfuerzos.
Esfuerzo (psi) Cuchilla 600 mm Cuchilla 100 mm
Cálculo Analítico 757.35 4544.16
Cálculo por Simulación 991.38 4971.07
Diferencia -234.03 -426.91
Con los resultados anteriores se concluye
que ambas configuraciones de rotores son
aplicables al diseño de la máquina trituradora
de envases de PET.
Conclusiones
El campo para mejorar el reciclaje de
plásticos es muy amplio y existen una gran
variedad de máquinas que deben ser
analizadas para mejorar los sistemas de
reciclado de plásticos.
Partiendo de lo general a lo particular, el
diseño de la máquina trituradora de envases de
PET se ha logrado desarrollar, aplicando la
metodología del modelo lineal de diseño para
obtener un concepto que satisface la necesidad
del cliente.
Se ha desarrollado un diseño simple,
apoyado en la aplicación de la ingeniería y
realizando cálculos de acuerdo a ASME para
mayor seguridad en el diseño.
En el caso del análisis de elemento finito de
los elementos de 600 y 100 milímetros, la
diferencia en los esfuerzos en ambos casos se
debe a que el programa considera la unión fija
en los tornillos y en el cálculo se considera
fijo totalmente.
Aun cuando ambos elementos tienen un
factor de seguridad alto y pueden ser
utilizados en el diseño, se supone que
seleccionando el modelo de 100 milímetros de
largo funcionará mejor, debido a la dinámica
que puede tener el rotor escalonado, pues el
trabajo es más continuo al momento de triturar
los envases.
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